专利名称:环形喷嘴及其使用方法
本发明是关于含有氢和一氧化碳的合成气或燃料气的生产方法，它是在一空心自由流动的反应器中用含有游离氧的气体在液体载体里部分氧化固体含碳燃料的浆料而制得。更具体地说，本发明是关于浆料与含氧气体混合，然后将此混合物通入反应器的一种改进了的燃烧器喷嘴。
已经开发了用于含碳物质气化的三种基本方法。它们是固定床方法，流化床方法，悬浮床或悬浮夹带床方法。与本发明有关的悬浮夹带床效率显著地受发生气化的部分氧化的部分氧化反应之前反应混合程度的影响。在液体载体中由细分散含碳燃料构成的浆料与含氧气体相混合的情况下，很重要的一点是，将反应均匀混合并雾化成很细的液滴，这时反应物被汽化，然后点火燃烧，从而形成气态产品。环型燃烧器喷嘴已被用来把浆料和含氧气体的混合物送入反应器。例如，美国专利No4，364，744和No4，443，230中所说明的环形燃烧器喷嘴。
已提出的有关这样的燃烧器喷嘴的问题包括混合以使燃料和氧在混合物中达到适宜的分布，混合物的雾化，燃烧器喷嘴工作的稳定性，在反应器和燃烧器喷嘴中局部过热的减少，以及燃烧器喷嘴的机械磨损的减少。除了这些问题以外，还有当含有高浓度的分散固体的浆料通过燃烧器喷嘴时，也存在着堵塞或部分堵塞环形通道的倾向。
总的说来，本发明提供一种改进了的燃烧器喷嘴及在与含有游离氧的气体相混合的载体中，通过部分氧化固体含碳燃料的浆料来制取含有氢和一氧化碳的合成气或燃料气混合物的方法，部分氧化发生在一自由流动的空心反应器中。借助燃烧喷嘴把浆料和含氧气体混合，雾化并通入反应器中。在大约927℃～大约1927℃的温度下和在0.1～24MPa压力下的反应器中生产气体。生产这种气体的方法和反应器在美国专利No2，716，598;No3，607，156;和No3，607，157中概括地作了举例说明和叙述。所生产的原气体还含有另外的气体副产物，如氮，二氧化碳和硫化氢，以及颗粒物质，在最终使用产品气体之前通常需要另外进行处理以把它们除去。在反应器中与产品气同时产生的可能还有无机渣状副产物。
本发明的一个实施例提供了一种制取含有氢和一氧化碳的混合气的改进方法，它是在混有含有游离氧的气体相的液体载体中通过部分氧化固体含碳燃料的浆料而得，该部分氧化是在一自由流动的空心反应器中发生的，其改进方法包括(a)让含有游离氧的第一气体流通过由燃烧器的中央导管所构成的第一通道，出口排放速度从大约23米/秒到大约音速，该燃烧器喷嘴包括一个彼此隔开的同心的围绕中央导管的第二和第三导管，这样在中央和第二导管之间构成一个第二环形通道，在第二和第三导管之间构成第三通道，这第一、第二和第三通道在上游端部是封闭的，其中为气体进料流和浆料进料流提供进口，并且在下游排放口处，这些通道是开口的;
(b)同时以大约23米/秒～大约音速的出口排放速度把含有游离氧的第二气体流通过第三环形通道并以大约0.3～15米/秒的出口排放速度把浆料流通过第二环形通道;
(c)把浆料流喷射到喷嘴雾化器的会聚面上，由此通过浆料对会聚面的冲击作用以及第一和第二气体流的剪切作用，使浆料流与第一和第二气体流混合，结果产生一种由细分散的固体含碳燃料以及液体载体和含游离氧的气体所组成的均匀分散的雾化混合物;
(d)以大约30米/秒～大约音速的加快速度将混合物通过一个细长的出口，以便使该混合物在进入反应器之前进一步雾化;
(e)使反应器中的混合物起反应，以形成含有氢和一氧化碳的部分氧化气体混合物。
本发明的另一个实施方案是为一个自由流动的空心反应器提供一个燃烧喷嘴，反应器用于在与含游离氧的气体相混合的液体载体中通过部分氧化一种固体含碳燃料的方法来制取含有氢和一氧化碳的气体混合物，该喷嘴包括，一根中央导管，为输送含游离氧的气体流形成一个中央通道;一根彼此隔开的同心的第二导管，为输送浆料而在中央与第二导管之间形成一个第二环形通道;一根彼此隔开的同心的第三导管，为输送含有游离氧的气体流形成一个第三环形通道;这第一、第二和第三通道在它们上游端部是封闭的，其中为气体进料流和浆料进料流提供进口管，而在由中央和第二、第三导管的端部所形成的下游排出口是敞开的;与第三导管端部相接并置于其附近的喷嘴雾化器，并且它在中央和第二通道的排放口下游并列布置，该雾化器有一个会聚面，浆料流喷射在其上;以及一个与该雾化器相互连接的细长出口孔，通过该雾化器以加快速度将浆料和含有游离氧的气体输送到反应器中;由中央和第二导管所形成的第二通道包括一个细长的第一流通段和一个细长的第二流通段，这第一流通段从浆料进料入口管开始延伸并且会聚入第二流通段，第二流通段又延伸到它的由中央和第二导管端部所形成的排放口，第一流通段的横截面积比第二流通段的横截面积显著地大，借此在第一流通段中提供一个浆料流的压力，在与第二流通段会聚和相互连接处的整个第一流通段的环形面积上，这压力基本上是均匀的。
本发明也提供一个改进的防堵塞的喷嘴，它可以用在其它一些方面，例如，在废物排放工厂中，在废料的空气反应(aireaction)期间用它作为喷嘴。这喷嘴可设计来提供一种均匀而有效的具有高浓度细分散固体的浆料与气体的混合物，同时，又可以减少这种浓缩浆料部分或完全堵塞喷嘴中环形通道的倾向。
本发明的另外一个实施方案是在带有气体流的液体载体中为混合具有高浓度细分散固体的浆料提供一个改进的防堵塞喷嘴，它包括，为输送气体流用的一根中央导管;为输送浆料流用的彼此隔开且同心的第二导管，在中央和第二导管之间形成第二环形通道;为输送气体流用的彼此隔开且同心的第三导管，在第二和第三导管之间形成第三环形通道;这第一，第二和第三通道在它们上游端部是封闭的，其中为气体进料流和浆料进料流提供入口管，而在由中央、第二和第三导管的端部所形成的下游排放口是敞开的;由中央和第二导管所形成的第二通道包括，一个细长的第一流通段和第二环形流通段，这第一流通段从浆料进料入口管开始延伸并会聚入第二流通段，这第二流通段又延伸到它的由中央和第二导管的端部所形成的排放口，第一流通段的横截面积比第二流通段的横截面积显著地大，由此在第一流通段中提供一个浆料流压力，在与第二流通段会聚和相互连接处的整个第一流通段的环形截面上，这压力基本上是均匀的。
本发明的喷嘴也可以用在其它一些方面，例如，可以利用喷嘴来处理具有高浓度细分散固体的浆料，这浆料必须与气体混合均匀，废物排放工厂的空气反应和焚化处理就是一个例子。在本发明的优选实施方案中，通过在浆料通道中把固体物分离及在整个通道横截面上保持均匀流动作为减小堵塞的措施，该措施包括在环形浆料通道中保持一均匀的环状压力。这个特点使得喷嘴不仅可用作气化的燃烧器喷嘴，而且也可用作其它喷嘴。
本发明的燃烧器喷嘴包括一根中央导管和围绕这中央导管且同心的第二和第三导管，这样就形成了一个中央通道和二个环形通道。中央通道和环形通道在它们的上游端部是封闭的，其中为气体和浆料进料流提供进口管，而由中央和环形导管的端部所形成的下游排放口是敞开的。燃烧器喷嘴包括一个与第三导管端部相连并置于其附近的喷嘴雾化器，它在中央和第一环形通道的排放口下游并列安置。这燃烧器喷嘴还包括一个与雾化器相互连接的细长出口孔。
在燃烧器喷嘴工作期间，将气体进料流和浆料进料流送入上游进口管。这气体进料流被分散开，并穿过中央轴心通道和外侧的环形通道，而浆料进料流同时穿过中央通道和外部环形通道之间的中间环形通道，借此达到在含有氧的气体的中央轴心流与该气体的外部环形流之间包裹着环形浆料流。这浆料流和气体流通过它们各自通道的排放口被排出，然后这浆料流被喷射到喷嘴雾化器的会聚面上，在那里通过浆料对喷嘴雾化器的会聚面的作用及通过气体流的剪切作用，将浆料流和气体流混合，结果产生一种由分散的固体含碳燃料以及液体载体和含有游离氧的气体所组成的均匀分散的雾化混合物。然后以加快速度将这混合物通过一个细长的出口孔，以便在它进入反应器之前进一步雾化。
从前面的叙述和从下面的更详细的叙述，包括如下图示说明，本技术领域：
的普通技术人员可更清楚地看到本发明的各个方面。
图1是示意地说明按照本发明的原理所制得的燃烧器喷嘴的部分纵截面图;
图2是图1中从A-A线所截的横截面图，说明燃烧器喷嘴的一个实施例。
图3是说明按照本发明原理所制得的另一个优选燃烧器喷嘴的部分纵截面图;
图4是图3中从B-B线所截的横截面图，说明燃烧器喷嘴的一个实施例。
下面参考附图的叙述说明了应用本发明原理的方法，但是无论如何也不能理解为是对本发明范围的限制。
现参考图1～4来更具体地说明燃烧器喷嘴10和30。燃烧器喷嘴10包括，一根形成通道4的中央导管;一根形成环形通道5的第二同心环形导管;和一根形成环形通道6的第三同心环形导管3。通过隔离物17把通道5与通道4和6保持彼此隔开的关系。隔离物所占空间应是最小，以避免通道5中的浆料流的流动形成不必要的分离。通道4、5和6在它们的上游端部由壁7a、7b和7c所封闭，其中为浆料和气体进料流提供进口管15和16。设置一个分配室18，以便均匀地把浆料进料流送入环形通道5。通道4、5和6在它们与导管1，2和3的端部所形成的下游端部有排放口8a、8b和8c，管19为输送气体进料流提供通道4和6之间的连通渠道。
燃烧器喷嘴10还包括一个喷嘴雾化器，它有一个为喷射穿过通道5的浆料用的会聚面9a，还包括一个细长的出口孔11以便以加快速度把浆料和含氧气体的混合物送入反应器。在这实施方案中雾化器9是导管3的延伸。由于雾化器9遭受到苛刻的环境，即高温，化学侵蚀，和机械磨损，即使不是必需，由例如耐腐蚀性强、坚韧和耐磨的材料(例如碳化钨和碳化硅)来制造雾化器也是有利的，而喷嘴10的其余部分可以由如象不锈钢那样的金属来制造。设置一个带有进水管13和出水管14的水夹套也是有利的，以便冷却雾化器9和孔11的壁11a。喷嘴10的孔11被设计成园柱形，但也可以有分散的或会聚的壁11a。此外，虽然不是严格的设计要求，但是孔11的长度比它的直径大是有利的，这样可在高剪切区域为浆料/气体混合物和为输送到反应器中的该混合物达到高雾化程度提供额外的时间。
参考图3和4来说明本发明的另一个实施方案。在图3和4中所示的燃烧器喷嘴30的各元件的参考符号类似于图1和2中燃烧器喷嘴10所示元件的参考符号，它们具有相同的参考数值。燃烧器喷嘴30包括对中央的和第二环形导管的改进，因此而改变中央气体通道和浆料通道，还包括对喷嘴雾化器和出口孔的改型。所以燃烧器喷嘴30包括环形导管段31a和31b，形成带有第一流通段32a和第二段32b的环形通道。第一流通段32a的横截面比第二流通段32b的横截面显著地大。从进口管15来的浆料进料流直接被送入第一流通段32a，这样可省去喷嘴口的气体管19，并且让气体进料流直接流入通道4和6。这样使浆料在通道流通段32a和32b中流动出现的分离大大减少。如有必要，可以加紧固件34，以克服任何结构强度的不足。
燃烧器喷嘴30也包括一个陶瓷喷嘴雾化器33，它有一个会聚面9a用于喷射来自流通段32b的浆料流，将雾化器33安置在导管3旁的适当地方。有许多众所周知的陶瓷材料能用于制造雾化器33，例如，致密氧化铝耐火材料。使用陶瓷雾化器不仅可以提供扩散面9a，而且也使喷嘴与反应器中所产生的热隔离开。
如前所述，在如象燃烧器喷嘴10和30的环形喷嘴中处理由细分散固体物组成的高浓缩浆料可能产生的问题是，细分散的固体物与液体载体分离，并堵塞浆料通道。为了克服出现这种情况的可能性，以及为了达到环形流通道的整个横截面上的均匀流动，喷嘴10中安置了分配室18，而喷嘴30包括联合流通段32a和32b，它们形成了浆料通道。在喷嘴10和30中，浆料流通的上游分配室或流通段的横截面积比下游流通段的横截面积显著地大。作为一个具体例子，象喷嘴30那样设计的喷嘴是由金属管制造的，其中中央气体通道的直径大约为7.6cm，长40.6cm，并且围绕中央通道的浆料通道的第一段环形横截面宽为大约3.8cm，长10cm，浆料通道的第二环形横截面宽为大约0.6cm，长30.5cm。
在上游流通段与通道的下游环形部分相连接处的整个上游流通段环形面积上，较大上游室或段中的浆料流提供一个基本均匀的压力，因此沿浆料流的环形通道的流量变化显著减小。还发现，通过设计从下游入口管到与通道的环形部分相互连接处的浆料通道的上游部分，可以基本保持在相互连接处有均匀环形压力，这样，在浆料通道到它的排放口的环形部分中所出现的压力降就约为20%或更小。
为了使浆料和气体的混合物达到所希望的均匀分散和雾化，已经确定，气体和浆料流通过各个通道的优选速度应保持在下列范围。通过中央轴向通道的气体流的出口排放速度应为大约23米/秒到大约音速。通过外侧环形通道的气体流的出口排放速度应为大约23米/秒到大约音速。通过第二或中间环形通道的浆料流的出口排放速度应为大约0.3～15米/秒。通过喷嘴出口孔进入反应器的浆料和气体的混合物的速度应是大约30米/秒到大约音速。
权利要求
1.在通过与含游离氧的气体相混合的液体载体中部分氧化固体含碳燃料的浆料来制取含有氢和一氧化碳的混合气的方法中，部分氧化是在-自由流动的空心反应器中进行的，改进方法包括(a)把含有游离氧的第一气体流通过由燃烧器的中央导管所构成的第一通道，出口排放速度从大约23米/秒到大约音速，该燃烧器喷咀包括一个彼此隔开的同心的围绕中央导管的第二和第三导管，这样在中央和第二导管之间构成第二环形通道，在第二和第三导管之间构成第三通道，这第一、第二和第三通道在上游端部是封闭的，其中为气体进料流和浆料进料流提供进口，并且在下流排放口处这些通道是开口的；(b)同时以大约23米/秒到大约音速的出口排放速度把含有游离氧的第二气体流通过第三环形通道并以大约0.3-15米/秒的出口排放速度把浆料流通过第二环形通道；(c)把浆料流喷射到喷咀雾化器的会聚面上，由此通过浆料对会聚面的作用以及第一和第二气体流的剪切作用使浆料流与第一和第二气体流混合，结果产生一种由细分散的固体含碳燃烧、液体载体和含游离氧的气体所组成的均匀分散的雾化混合物；(d)以大约30米/秒-大约音速的加快速度将混合物通过一个细长的出口孔，以便使该混合物在进入反应器之前进一步雾化；(e)使反应器中的混合物起反应，以形成含有氢和一氧化碳的部份氧化气体混合物。
2.按照权项1的方法，其中雾化器是一个与出口孔相连接的第三导管的延续会聚截面。
3.按照权项1的方法，其中雾化器是一个可拆开的塞子，布置在第三导管旁的适当地方，其中有出口孔延伸通过这塞子。
4.按照权项1、2或3的方法，其中第二通道包括一个细长的第一流通段和一个细长的第二环状流通段，这第一细长流通段从浆料进料入口管扩展并会聚入第二流通段，第二流通段又扩展到其排放口，第一流通段的横截面积比第二流通段的横截面积显著地大，借此在第一流通段中提供一个在第一流通段与第二流通段会聚和相互连接处的整个第一流通段的环形面积上基本均匀的浆料流压力。
5.按照权项4的方法，其中从浆料进料入口管到第一流通段与第二流通段相互连接处的浆料流压力降大约为20%，而相互连接处到第二流通段的排放口的浆料流压力降更小。
6.用于在与含游离氧的气体相混合的液体载体中，通过部分氧化固体含碳燃料的浆料的方法制取含氢和一氧化碳的气体混合物的自由流动空心反应器的燃烧器喷咀包括，一根中央导管，为输送含游离氧的气体流构成中央通道;一根彼此隔开、同心的第二导管，在中央和第二导管之间为输送浆料流构成一个第二环形通道;一根彼此隔开、同心的第三导管，在第二和第三导管之间为输送含游离氧的气体流构成一个第三环形通道;这第一，第二和第三通道在它们的上游端部是封闭的，其中为气体进料流和浆料流提供进口管，而在由中央、第二和第三导管的端部所形成的下游排放口是敞开的;与第三导管端部相连接并安置于其附近的喷咀雾化器，它在中央和第二通道的排放口下游并列安置，这雾化器有一个浆料流喷射其上的会聚面;和一个与雾化器相互连接的细长出口孔，通过它把浆料与含游离氧的气体混合物以加快速度送入反应器;由中央和第二导管构成的第二通道包括一个细长的第一流通段和一个细长的第二流通段，这第一流通段从浆料进料入口管扩展并会聚入第二流通段，该流通段又扩展到它的由中央和第二导管的端部所形成的排放口，第一流通段的横截面积比第二流通段的横截面积显著地大，由此在第一流通段中提供一个浆料流的压力，在与第二流通段会聚和相互连接处的整个第一流通段的环形面积上这压力基本上是均匀的。
7.按权项6所述的燃烧器喷咀，其中雾化器是与出口孔相连接的第三导管的延续会聚截面。
8.按照权项6的燃烧器喷咀，其中雾化器是一个可拆开的塞子布置在第三导管旁的适当地方，其中还有出口孔延伸通过这个塞子。
9.用于在带有气体的液体载体中混合具有高浓度的细分散固体的浆料的改进的防堵塞的喷咀，其中包括，为输送气体流用的一根中央导管;为输送浆料流用的彼此隔开、同心的第二导管，在中央和第二导管之间形成一环形通道;为输送气体流用的彼此隔开、同心的第三导管，在第二和第三导管之间形成第三环形通道;这第一，第二和第三通道在它们上游端部是封闭的，其中为气体进料流和浆料进料流提供入口管，而在由中央、第二和第三导管的端部所形成的下游排放口是敞开的;由中央的和第二导管所形成的第二通道包括，一个细长的第一流通段和第二环状流通段，这第一流通段从浆料进料入口管扩展并会聚入第二流通段，该流通段又扩展到它的由中央和第二导管的端部所形成的排放口，第一流通段的横截面积比第二流通段的横截面积显著地大，由此在第一流通段中提供一个浆料流压力，在与第二会聚和相互连接处的整个第一流通段的环形面积上这压力基本上是均匀的。
10.按照权项6、7、8或9的燃烧器喷咀，其中第一和第二流通段的横截面积的比例足以为从浆料进料入口管到第一流通段与第二流通段相互连接处的浆料流提供一个压力降，这压力降大约为20%，而对于从相互连接处到第二流通段的排放口的浆料流压力降则比这更小。
专利摘要
本发明提供了一种改进的燃烧器喷嘴，用于制取含有氢和一氧化碳的合成气或燃料气混合物，它是在一自由流动的空心反应器中通过部分氧化在与含有游离氧的气体相混合的液体载体中由固体含碳燃料组成的浆料而得。这喷嘴及该方法包括，在高速气体的中央和环形层之间包裹环形浆料流，在具有高剪切力以及把环形浆料流喷射到下游喷嘴雾化器上的区域可产生一种由固体、液体和气体组成的均匀雾化混合物，然后以加快速度让此混合物通过出口孔以进一步雾化该混合物。
文档编号C10J3/46GK86102614SQ86102614
公开日1987年1月28日 申请日期1986年4月16日
发明者斯塔利·R·彼尔森, 查理斯·W·利普, 道格拉斯·D·马里克, 威廉姆·P·怀特 申请人:陶氏化学公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan